電力電子器件的??榛爰苫?/h1>
2019-04-14 12:36:46 Westpac Electronics

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早期的電力電子產品用分立元器件(discrete devices)組成,功率器件安裝在散熱器 上,附近安裝驅動、檢測、?;さ扔∷⒌緶釩?PCB),還有分立的無源元件。用分立元器件 制造電力電子產品,設計周期長、加工勞動強度大、可靠性差、成本也高。 --- 因此電力電子產品逐步向??榛?、集成化方向發展,其目的是使尺寸緊湊、實現電力電 子系統的小型化,縮短設計周期,并減小互連導線的寄生參數等。電力電子器件的??榛?集成化,先后經歷了功率???、單片集成式???、智能功率???IPM)等發展階段。其中功 率??橛肭?、?;?、控制電路是分立的,而單片集成和 IPM 中的功率器件與驅動、?;?、 控制等功能集成為一體。

1 功率???□ --- 圖 1 電力電子變換器常常需要多個功率器件組成,例如一個雙向開關至少需要兩個功率器件 和兩個二極管;考慮串并聯,單相、三相半橋或全橋開關電路要用幾個、甚至幾十個功率器 件和一些輔助器件(如快速二極管 FD)組成。電力電子變換器的功率器件間的互連引線多, 寄生電感大。為了使其結構緊湊、體積小、加工方便,更為了縮短開關器件間的互連導線、 減小電感,功率器件必須實現??榛?、集成化,稱為功率???。圖 1 給出一個三相全橋整流 ??櫚耐廡甕?,??橛?3 個輸入接線端,接三相電源;有 2 個輸出接線端,接負載。 --- 將若干功率開關器件和快速二極管組合成標準的功率???Power module),是集成電力 電子技術發展進程中最初步的集成化、??榛?。因為這種功率??槊揮杏肭?、控制、?;?、 檢測、通信等功能集成。現在國內外已經開發出功率 MOS 管、可控整流元件或晶閘管(SCR)、 雙極型功率晶體管以及 IGBT 等功率???。 -- 1 基本電路理論課程論文 2006-2007 第一學期 圖 2 ------ 圖 3 最簡單的功率??槭塹ハ喙β室蚴U玫?Boost PFC 功率???,它包含一個 IGBT(或 功率 MOS 管)與一個 Boost 二極管以及 4 個整流管組成的單相橋。圖 2(a)、(b)分別給出單 相 Boost PFC 變換器系統及 PFC 功率??樽槌賞?,有 8 個接線端,配以電感、電容元件,就 可以組裝成單相 Boost PFC 主電路,十分簡便。 --- 變頻器主電路也有專用的功率器件標準???,可以靈活地組裝成各種單相、三相半橋或 全橋逆變器[1]。 在雙向開關的基礎上,德國 EUPEC 公司研制成功矩陣變換器專用的開關矩陣???,日本 富士電機開發了矩陣變換器專用的逆阻型 IGBT ???。所謂逆阻型 IGBT 是指可以承受較高反 向電壓的 IGBT,反向時這種 IGBT 可處于阻斷狀態。不像普通 IGBT 承受反向電壓的能力較 弱,很可能被反向電壓擊穿,所以普通 IGBT 要提高承受反向電壓的能力,必須串聯一個二 極管。一個 3×3 矩陣變換器中需要 9 個雙向開關???,用普通 IGBT,每個??樾枰?2 個 IGBT 和 2 個二極管相連接;而用逆阻型 IGBT,每個雙向開關??櫓苯佑?2 個 IGBT 并聯組成,3×3 矩陣變換器用逆阻型 IGBT 構成雙向開關???,可省去 18 個二極管,減少了器件功耗。 --- IGBT 基本單元???,見圖 3(a)。由一個 IGBT 和一個 FD 反并聯組成(稱為 1 in 1), 有 4 個接線端。在需要更大電流的場合,可以用幾個基本單元并聯。 --- 二單元(2 in 1)IGBT ???,見圖 3(b),由兩個基本單元組成,有 7 個接線端,可看作 是逆變器橋式開關電路的一個橋臂,可以構成單相半橋 PWM 逆變器。3 個二單元 IGBT ???, 就可以構成三相 PWM 變頻器,當需要更大電流定額時,可以幾個??椴⒘褂?。 --- 除了基本單元和二單元外,典型組合方式還有六單元(6 in 1)IGBT ??楹推叩ピ?7 in 1)IGBT ???。六單元 IGBT ??橛?6 個 IGBT 和 6 個 FD 組成,有 13 個接線端,形成一臺三 相變頻器。同樣可以幾個??椴⒘?,以便用于更大電流應用。七單元(7 in 1)IGBT ???, 由 7 個 IGBT 和 7 個 FD 組成,可構成變頻器和制動電路?;箍梢閱謚悶淥骷?,如橋式整流 電路的二極管、電容的充電器用的 SCR,以及檢測溫度用的熱敏電阻等。 --- 圖 4 給出兩種有代表性的 IGBT ??榻峁?。圖 4 是通過外殼與接線端子一體化成型的結 構,減少了連接件的數量,使內部連線電感減小。通過在基片上直接敷銅(DCB)的方法,使 IGBT ??槿茸櫳?、抗斷強度高。 -------- 2 基本電路理論課程論文 2006-2007 第一學期 圖 4 圖 5 -圖 5 所示為 IGBT ??橥ü吡擁慕峁?,封裝簡單,可實現輕、小、超薄型功率模 塊,減少組裝工序。合理配置 IGBT 和 FD 的芯片,可使熱量有效散發。 --- IGBT 發展到今天,已經開發出第五代技術的產品,它是以溝槽型(Trench)門極結構和 電場截止(Field stop-FS) 型基區結構相結合為特征的。其功率損耗比非穿通(NPT) 型 IGBT 減少了 25%。日本富士公司開發的 Trench FS IGBT 的新型??閇2],IGBT 芯片和續流二極管 (FWD)芯片并聯,面積為普通 IGBT ??櫚?50%。 富士新型??橛?1 in 1、2 in 1、直到 6 in 1 幾種。例如 6 in 1 的新型 IGBT ???,1700V 電壓,電流有 25,300,450 三種,125℃溫 度下正向壓降約 2.3~2.45 V。 --- 德國 EUPEC公司開發了中等功率傳動用 IGBT???,??櫚幕逕夏謚玫緦魅⊙繾鑋3], 可測量 35kW 等級逆變器的電流。 --- 德國 Semikron 電子公司 1996 年開發了 MiniSKiip 型 CIB(整流、逆變、制動斬波)模 塊,并推向市場[4]。圖 5 給出 MiniSKiip 的典型組成:其中包括:三相橋式整流電路(六 個整流管);制動斬波電路(IGBT 和整流管各一個);三相 PWM 逆變電路(IGBT 和續流二 極管各六個)。動態制動時,斬波電路用做降壓變換器,功率因數校正電路中,斬波電路則 按升壓變換器工作。將所有芯片(整流管、IGBT、續流二極管)封裝在一個 CIB ??檳?。 □ --- 2002 年 Semikron 又推出新一代 MiniSKiip -Ⅱ型 CIB ???,使用當今前沿的芯片封 裝,改善熱阻、減小尺寸,為 0.37~30 kW 變頻器提供低成本、緊湊型 1200V 及 600V 功率 ???。??檳諢辜梢桓鑫露卻釁?,以檢測??檳諼露?。 2 單片集成式???--- 隨著半導體集成電路技術的進步和發展,使有可能將功率器件、驅動、控制、?;さ?電路,集成在一個硅片上,形成所謂單片集成 (System on chip) ???。典型的例子是美國 功率集成 (Power Integration) 公司推出的三端離線式 PWM 開關 TOPSwitch (Three Terminal Off-line PWM Switch) [5],它是一種高頻開關電源專用的???。2002 年開發了 第四代產品 TOPSwitch-GX,具有軟啟動、線性限壓檢測、遠程通/斷控制、在線熱關閉選通, 并可調至零負載和由用戶設置精確的限流值等功能。TOPSwitch-GX 有 33 種型號,如 TOP242、 TOP250 等,這種??榻β?MOS 管和 PWM 電路集成在同一芯片上。圖 6 給出 TOP242-250 的 功能方塊圖??閃磽馀浣憂攀秸韉緶?、電感、電容、二極管及變壓器,用以組裝成 130 kHz、 250W 以下 的 Buck, Boost, Forward, Flyback 等 DC-DC 或 AC-DC 開關變換器。其特點是外 3 基本電路理論課程論文 2006-2007 第一學期 圍電路簡單、成本低廉。 □ --- 圖 6 圖 6 中單片集成??櫚慕酉叨耍ㄒ牛┯辛觶河冶?D 和 S 分別為 MOSFET 的漏極和源極; 左邊自上而下,C 為控制端,X 為極限電流設置端,L 為檢測端,F 為開關頻率選擇端。圖 7 為 TOP220-7C 的外形圖。 □ --- 圖 7 單片集成??榧虻?,應用方便,但由于傳熱、隔離等問題還沒有有效解決,而且用單片集成 技術將高電壓、大電流功率器件和控制電路集成在一起的難度較大,目前這種集成方法只適 用于小功率電力電子電路中。 3 智能功率???IPM --- 智能功率???IPM(Intelligent Power Module)是一種混合集成方法,20 世紀 80 年代 即已開發。日本東芝、富士電機、Eupec /Infineon, Semikron, Powerex 等公司都生產 IPM。 將具有驅動、控制、自?;?、自診斷功能的 IC 與電力電子器件集成,封裝在一個絕緣外殼 中,形成相對獨立、有一定功能的???。功率半導體器件和 IC 安裝在同一基片(Common substrate)上,用引線鍵合(Wire bonding)互連,并應用了表面貼裝(Surface mounted)技 術。 --- 智能功率??槭且恢值ゲ愕テ?、一維封裝;其主要問題是:互連線不可靠、寄生元 件(電阻、電感)太多、一維散熱,在 kW 級小功率電力電子系統中應用。進一步的發展方向 是多芯片??櫸庾耙約凹傻緦Φ繾臃庾凹際鮗6]。

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